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基于ST L9963的電動汽車電池管理(BMS)系統(tǒng)方案

2020/09/03
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在全球一陣新能源載具發(fā)展的當(dāng)下,鋰電池電動車成為目前最主流的發(fā)展方向,在鋰電池電動車技術(shù)當(dāng)中,除了如何有效地提升馬達(dá)功率與效率以外,電池的能源管理是相當(dāng)重要的一環(huán)

汽車電池管理系統(tǒng)(BMS)必須能夠滿足關(guān)鍵功能,例如電壓,溫度和電流監(jiān)控,電池充電狀態(tài)(SoC)以及鋰離子(Li-ion)電池的電池平衡。

實(shí)際上,電動汽車電池管理系統(tǒng)的主要功能是:

電池保護(hù),以防止在其安全操作區(qū)域之外進(jìn)行操作。通過估計充電和放電期間的電池組充電狀態(tài)(SoC)和健康狀態(tài)(SoH)來監(jiān)視電池。電池優(yōu)化可通過電池平衡來延長電池壽命和容量,從而優(yōu)化混合動力(HEV),插電式(PHEV)和全電動汽車(BEV)的行駛里程。

適用于您的汽車BMS設(shè)計的新型高度集成的解決方案,意法半導(dǎo)體針對汽車應(yīng)用的電池管理系統(tǒng)解決方案專為滿足所有這些苛刻的設(shè)計要求而設(shè)計?;谛碌母叨燃傻碾姵毓芾鞩C L9963及其配套的隔離式收發(fā)器L9963T,我們的解決方案能夠以單菊輪鏈或雙向菊輪鏈配置提供多達(dá)14個串聯(lián)電池的最高精度測量,并嵌入復(fù)雜的電池 監(jiān)視和診斷功能。 它還符合嚴(yán)格的汽車安全完整性等級(ASIL)D要求。

EVAL-L9963-MCU是用于電池管理應(yīng)用汽車芯片L9963的硬件工具。 它可用于開發(fā)48 V電池管理系統(tǒng)(BMS)或作為分布式BMS的下級(取決于總電池電壓。由于EVAL-L9963-NDS而可增加其他級)。

EVAL-L9963-MCU允許用戶連接多達(dá)14個通道用于電池電壓感測,一個通道用于電流感測以及多達(dá)4個模擬輸入用于溫度感測(以及額外的板載NTC來感測PCB溫度)。 該板為板載微控制器提供了預(yù)加載的GUI固件,旨在與STSW-L9963 PC圖形用戶界面一起使用。

同時監(jiān)測數(shù)值以數(shù)位訊號方式輸出,較過往還需要經(jīng)過一段類比轉(zhuǎn)數(shù)位訊號的模式,能改善電池同步問題,并且能夠管理最多 7 個外部溫度感測器,嚴(yán)密管控電池溫度避免過熱。

L9963是用于高可靠性汽車應(yīng)用和儲能系統(tǒng)的鋰離子電池監(jiān)視和保護(hù)芯片。最多可以監(jiān)視14個堆疊的電池,以滿足48 V和更高電壓系統(tǒng)的要求。每個電池電壓以及芯片上庫侖計數(shù)的電流都可以高精度測量。該設(shè)備最多可以監(jiān)視7個NTC。信息通過SPI通信或隔離接口傳輸。

多個L9963可以菊花鏈daisy chain形式連接,并通過變壓器隔離的接口與一個主機(jī)處理器通信,具有高速,低EMI,遠(yuǎn)距離和可靠的數(shù)據(jù)傳輸的特點(diǎn)。在正常和低功耗模式下均提供帶有可編程通道選擇??梢愿鶕?jù)內(nèi)部計時器中斷自動終止平衡。集成了九個GPIO,用于外部監(jiān)視和控制。 L9963具有一套全面的故障檢測和通知功能,可以滿足安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。

此外 L9963 也符合 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)的 ASIL-D ,內(nèi)建車用安全性之綜合故障偵測與通知功能,還具備 SPI 界面與能夠建立多個 L9963 高速通訊用的 2.66Mbps 垂直通訊界面,此 21.66Mbps 垂直通訊界面能使 8 顆芯片對高達(dá) 96 個電池元件進(jìn)行訊號轉(zhuǎn)換與讀取,且操作時間低于 4ms ,并可結(jié)合各類變壓器或電容性電隔離組合。

L9963 的設(shè)計允許熱插拔操作,這也意謂可省卻外接用于保護(hù)電池管理系統(tǒng)的齊納二極體,傳統(tǒng)設(shè)計由于不允許熱插拔,使得電池不可關(guān)機(jī),故須搭配齊納二極體進(jìn)行保護(hù),這也意味著 L9963 能減少使用這類二極體的成本。

L9963 主要特色如下:

  • 符合AEC-Q100
  • 串聯(lián)測量4至14個電池,采樣之間的同步延遲為0 us。還支持母線連接,而不會改變電池的結(jié)果
  • 庫侖計數(shù)器在點(diǎn)火開關(guān)處于打開和關(guān)閉狀態(tài)時都支持電池組過電流檢測。完全同步的電流和電壓樣本
  • 16位電壓測量,在整個工作溫度范圍內(nèi),在[1.7 – 4.7] V范圍內(nèi)的最大誤差為±2 mV
  • 具有再生緩沖區(qū)的2.66 Mbps隔離串行通信,支持雙訪問環(huán)。鏈中第一個和第15個器件開始轉(zhuǎn)換之間的延遲小于2 μs。少于4 ms,即可在使用8個L9963的系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換和讀取96個單元。支持基于變壓器和電容的隔離
  • 在正常和靜音平衡模式下,每個電池的無源內(nèi)部平衡電流為200 mA??梢詧?zhí)行循環(huán)喚醒測量。手動/定時平衡,同時在多個通道上;內(nèi)部/外部平衡
  • 完全精簡的電池測量路徑,帶有ADC交換功能,可增強(qiáng)安全性和簡化
  • 提供自動故障驗(yàn)證的智能診斷程序。通過SPI全局狀態(tài)字(GSW)和專用故障線進(jìn)行故障通知
  • 兩個5 V穩(wěn)壓器支持具有25 mA(VCOM)和50 mA(VTREF)電流能力的外部負(fù)載連接
  • 9個GPIO,最多7個模擬輸入用于NTC檢測
  • 強(qiáng)大的熱插拔性能。無需與每個單元并聯(lián)齊納二極管
  • 完全符合ISO26262標(biāo)準(zhǔn),ASIL-D系統(tǒng)就緒
  • TQFP64EP封裝

此外 L9963 也符合 ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)的 ASIL-D ,內(nèi)建車用安全性之綜合故障偵測與通知功能,還具備 SPI 界面與能夠建立多個 L9963 高速通訊用的 2.66Mbps 垂直通訊界面,此 21.66Mbps 垂直通訊界面能使 8 顆芯片對高達(dá) 96 個電池元件進(jìn)行訊號轉(zhuǎn)換與讀取,且操作時間低于 4ms ,并可結(jié)合各類變壓器或電容性電隔離組合。

另外, L9963 的設(shè)計允許熱插拔操作,這也意謂可省卻外接用于保護(hù)電池管理系統(tǒng)的齊納二極體,傳統(tǒng)設(shè)計由于不允許熱插拔,使得電池不可關(guān)機(jī),故須搭配齊納二極體進(jìn)行保護(hù),這也意味著 L9963 能減少使用這類二極體的成本。

上面搭配的符合車規(guī)的 32 bit MCU SPC574Sx是基于Power Architecture嵌入式類別構(gòu)建的下一代微控制器系列。

SPC574Sx系列32位微控制器是集成汽車應(yīng)用控制器中的最新成果。 它屬于以汽車為中心的擴(kuò)展產(chǎn)品家族,旨在解決汽車內(nèi)下一輪底盤和安全電子應(yīng)用的浪潮。 該汽車控制器系列的先進(jìn)且經(jīng)濟(jì)高效的主處理器內(nèi)核符合Power Architecture嵌入式類別,并且僅實(shí)現(xiàn)了VLE(可變長度編碼)APU,從而提高了代碼密度。 它以高達(dá)140 MHz的速度運(yùn)行,并提供針對低功耗進(jìn)行了優(yōu)化的高性能處理。 它利用了當(dāng)前Power Architecture設(shè)備的可用開發(fā)基礎(chǔ)架構(gòu),并由軟件驅(qū)動程序,操作系統(tǒng)和配置代碼支持,以協(xié)助用戶實(shí)施。

主要功能如下

  • 符合AEC-Q100
  • 高性能e200z4d雙核
  • 32位Power Architecture技術(shù)的CPU
  • 核心頻率高達(dá)140 MHz
  • 雙發(fā)行5級管道有序執(zhí)行核心
  • 可變長度編碼(VLE)
  • 核心MPU
  • 浮點(diǎn),端到端糾錯
  • 8 KB指令緩存,帶有錯誤檢測代碼
  • 32 KB本地數(shù)據(jù)RAM和4 KB數(shù)據(jù)高速緩存以及8 KB指令高速緩存
  • 1600 KB(1.5 MB代碼+ 64 KB數(shù)據(jù))片上閃存:支持在編程和擦除操作期間進(jìn)行讀取,以及多個模塊,允許EEPROM仿真
  • 128 KB片內(nèi)RAM(96 KB片內(nèi)RAM + 32 KB本地數(shù)據(jù)RAM)
  • 具有32個通道的多通道直接內(nèi)存訪問控制器(eDMA
  • 全面的新一代ASILD安全概念
  • ASILD SEooC方法(安全元素脫離上下文)
  • FCCU用于收集和響應(yīng)故障通知
  • 內(nèi)存錯誤管理單元(MEMU),用于收集和報告內(nèi)存中的錯誤事件
  • 端到端糾錯碼(e2eECC)邏輯
  • 循環(huán)冗馀校驗(yàn)(CRC)單元
  • 8個增強(qiáng)型12位SAR模擬轉(zhuǎn)換器
  • 2組:3個ADC和一個主管ADC
  • 在12 MHz下1.5 μs的轉(zhuǎn)換時間
  • 多達(dá)32個物理通道
  • 雙可編程CTU
  • 4個通用eTimer單元(每個6通道)
  • 4個FlexPWM單元
  • 2個(每個4個通道)用于電機(jī)控制控制系統(tǒng)之間進(jìn)行硬件同步
  • 2個(每個2個通道)用于SWG仿真
  • 通訊接口
  • 4個LINFlexD模塊
  • 4個串行串行外圍設(shè)備接口(DSPI)模塊
  • 2個具有高級共享內(nèi)存方案的MCAN接口(對于MCAN0為808 x 32位字,對于MCAN1為520 x 32位字)和CAN-FD支持
  • 1個具有2個通道,128個消息緩沖區(qū)的FlexRay模塊
  • 2個SENT接口(每個3個通道)
  • 鎖相環(huán),外設(shè)具有穩(wěn)定的時鐘域,計算外殼具有FM調(diào)制域
  • Nexus Class 3調(diào)試和跟蹤界面
  • 帶有BAF的片上CAN / UART引導(dǎo)程序加載器。物理接口(PHY)可以是UART
  • 先進(jìn)而靈活的供應(yīng)方案
  • 片上穩(wěn)壓器,用于1.2 V內(nèi)核邏輯電源。支持旁路模式,用于外部1.2 V內(nèi)核邏輯電源
  • 3.3 V或5 V IO和ADC電源(提供2個獨(dú)立的電源域)
  • 結(jié)溫范圍-40°C至150°C

    方案已提供一個圖形用戶界面(GUI)可以MCU內(nèi)建的程式溝通做方便快速的電池調(diào)校!主要功能有

  • 可調(diào)校L9963最多15個節(jié)點(diǎn)
  • 完全同步的電流和電壓電池測量
  • 有庫侖計數(shù)器
  • 允許控制所有L9963功能,例如平衡和溫度測量
  • L9963配置的高級功能
  • 完整的診斷監(jiān)控
  • L9963的內(nèi)部寄存器控制
  • 數(shù)據(jù)記錄和數(shù)據(jù)導(dǎo)出

如要做更深入的MCU程式編輯
開發(fā)環(huán)境也是功能強(qiáng)大又齊全
以軟體商Siener 為例的的開發(fā)功能界面如下圖

? 場景應(yīng)用圖

sceneryUrl

? 產(chǎn)品實(shí)體圖

imgUrl

? 展示版照片

frontUrl

? 方案方塊圖

funcUrl

? 核心技術(shù)優(yōu)勢

@符合AEC-Q100 @沒有同步延遲為0 us @先進(jìn)的診斷功能還允許在充電和放電操作期間監(jiān)視系統(tǒng)的健康狀態(tài)(SoH)。 @使用8個L9963的系統(tǒng)中轉(zhuǎn)換和讀取96個單元少于4 ms。 @基于變壓器和電容的隔離 @可以執(zhí)行循環(huán)喚醒測量。手動/定時平衡,帶有ADC交換功能,可增強(qiáng)安全性和簡化的功能 @提供自動故障驗(yàn)證的智能診斷程序。 @兩個5 V穩(wěn)壓器,支持具有25 mA(VCOM)和50 mA(VTREF)電流能力的外部負(fù)載連接 @最多7個輸入用于NTC檢測 @熱插拔性能。無需與每個單元并聯(lián)的齊納二極管 @完全符合ISO26262標(biāo)準(zhǔn),ASIL-D系統(tǒng)就緒

? 方案規(guī)格

  • 用于軟體開發(fā)的外部MCU的引腳連接器 ?串聯(lián)測量4至14個電池,失步延遲為0 us, 支持busbar連接,不會改變電池結(jié)果! ?點(diǎn)火開, 關(guān)都以庫侖計數(shù)器(Coulomb counter)方式的電池組過電流檢測 ?完全同步的電流和電壓 ?16位電壓測量 ?具有再生緩沖區(qū)的2.66 Mbps隔離串行通信,支援 雙接入環(huán)(dual access ring), 鏈中第一個和第15個器件開始轉(zhuǎn)換之間的延遲小于2 μs。 ?基于變壓器的隔離 ?多達(dá)4個用于NTC熱敏電阻感測輸入,以及PCB溫度感測 ?板載L9001穩(wěn)壓器電源 ?16位電壓測量,在整個工作溫度范圍內(nèi),在[1.7 – 4.7] V范圍內(nèi)的最大誤差為±2 mV ?在正常和靜音平衡模式下,每個電池的無源內(nèi)部平衡電流為200 mA          
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